KR101412905B1 - 티타늄강 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 티타늄강 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 티타늄강은 중량%로, 산소(O): 0 초과 0.05 이하, 철(Fe): 0 초과 0.40 이하, 탄소(C): 0 초과 0.10 이하, 질소(N): 0 초과 0.10 이하 및 수소(H): 0 초과 0.005 이하, 나머지 티타늄(Ti) 및 불순물을 포함한다.

Description

티타늄강 및 그의 제조방법{Titanium steel and manufacturing method of the same}

본 발명은 티타늄강 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 우수한 가공성을 갖는 티타늄강 및 그의 제조방법 관한 것이다.

통상 원자력 발전설비 및 선박 등의 해양설비와 화학설비와 같은 일반 산업설비는 열교환기를 이용하여 설비를 냉각하게 되며 담수화 설비에서는 가열된 수증기를 응축하는 응축기에서 열교환을 하게 된다. 특히, 해수를 이용하는 해양설비의 경우에는 염수에 대한 높은 내식성을 가지는 소재를 사용하게 되는데, 이러한 용도에 적합한 소재로서 티타늄을 들 수 있다. 티타늄은 염분을 포함한 해수에 대한 내식성은 거의 반영구적인 것으로 알려져 있다. 따라서, 티타늄 판재는 해양산업 설비에 적용하기 위해 여러 형태로 가공하여 냉각효율을 높이게 되며, 특히 물리적으로 표면적의 증가에 의해 냉각수와의 접촉을 넓게 하기 위하여 다양하고 복잡한 형태로 가공하여 사용한다.

열교환기에 사용되는 티타늄은 주로 튜브 형태 또는 판형의 형태로 가공하여 사용하게 된다. 튜브형으로 가공되어 사용되는 티타늄 판재는 가공방법이 비교적 단순한 롤 성형법을 거치게 되므로, 가공 중에 프레스 성형성 보다는 표면에 기계적인 흠이 발생하지 않는 특징이 주로 요구된다. 판형으로 가공되어 사용되는 티타늄 판재는 판형으로 성형하한 판재를 여러 장 겹치게 배치하고 각각의 판재 사이에 설비로부터 배출되는 온수와 냉각수로 사용하는 해수를 번갈아 통과시킴으로써 보다 넓은 면적에 의해 열교환이 가능하도록 한다. 최근에는 열교환 효율을 높이는 방법의 일환으로 성형하는 형태를 복잡하게 하거나 성형 깊이를 깊게 하고자 하므로, 기본적으로 소재는 우수한 가공성을 가진 것이 유리하다. 통상, 튜브형 열교환기의 경우는 수증기를 응축하는 수단으로 해수 담수화설비에 많이 적용되고 있으며, 판형 열교환기는 부피가 작고 열교환 능력이 우수하며 공간 활용성이 중요한 선박의 엔진 또는 원자력 발전설비 등에 많이 적용되고 있다.

이 중, 판형 열교환기의 제조에 대하여 간단히 설명한다. 먼저, 티타늄 소재의 판재를 프레스에 의해 일정한 형태를 가지도록 설계된 금형 사이에 놓고 상하 금형에 압력을 가하여 표면에 요철을 형성하는 프레스 가공단계를 거치게 된다. 이때, 표면의 요철은 소재의 변형에 의해 형성되며 일반적으로 높이가 3.0mm 이상의 높은 변형가공을 수반하게 된다. 또한, 요철은 냉매의 흐름을 고려하여 복잡한 형태로 가공되며, 점차 그 깊이와 형태가 복잡해지며 소재의 두께 감소와 더불어 소재의 강도는 증가해야 하므로, 소재의 가공성과 강도를 제어하는 기술이 필요하다.

종래의 기술(일본특허공개 2010-255085) 등은 티타늄 표면의 거칠기를 제어하는 기술로서 가공 중에 미세 파단을 방지하는 기술을 제안하였는데, 이는 티타늄 자체의 재질물성을 제어하기 보다는 표면의 거칠기를 제어하는 기술이다. 또한, 일본특허공개 2001-303223은 성형성이 우수한 티타늄판에 관한 것으로 화학성분 중에서 철과 불순물인 크롬, 니켈등의 함량을 제어하면 우수한 드로잉성을 얻을 수 있다고 하였다. 드로잉성은 원통 컵가공과 같은 형태로 가공하는 방법으로 판형 형태의 열교환기를 제조하는 공정에서는 크게 작용하지 않는 가공변형 형태이므로 판형의 프레스 성형에 적합하다고 보기는 어렵다.

종래의 기술은 티타늄의 가공성을 높이기 위하여 통상 소둔온도를 증가하여 결정립을 조대하게 하는 방법을 사용하였다. 그러나, 결정립이 과다하게 조대한 경우에는 표면이 거칠어지는 문제가 있었으며, 또한 고온 소둔에 의해 표면에는 강도가 높은 산화층이 형성되어 가공성이 저하되는 문제가 있었다.

본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 화학성분, 냉간압연 및 소둔열처리 공정변수를 제어함으로써 복잡한 형태로 가공될 수 있도록 성형성이 우수한 티타늄 판재를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명에 일 실시예 에 따른 티타늄강은 중량%로, 산소(O): 0 초과 0.05 이하, 철(Fe): 0 초과 0.40 이하, 탄소(C): 0 초과 0.10 이하, 질소(N): 0 초과 0.10 이하 및 수소(H): 0 초과 0.005 이하, 나머지 티타늄(Ti) 및 불순물을 포함한다.

상기 티타늄강은 중량%로, 산소(O) 및 철(Fe)의 함량의 합이 0 초과 0.085 미만일 수 있다.

상기 티타늄강은 중량%로, 산소(O), 철(Fe), 질소(N), 탄소(C) 및 수소(H)의 함량의 합이 0 초과 0.12 미만일 수 있다.

상기 티타늄강은 균일 연신율이 37% 이상일 수 있고, 에릭센 값이 12.0mm 이상일 수 있다.

본 발명에 일 실시예 에 따른 티타늄강의 제조방법은 중량%로, 산소(O): 0 초과 0.05 이하, 철(Fe): 0 초과 0.40 이하, 탄소(C): 0 초과 0.10 이하, 질소(N): 0 초과 0.10 이하 및 수소(H): 0 초과 0.005 이하, 나머지 티타늄(Ti) 및 불순물을 포함하는 티타늄강을 냉간 압연하는 단계 및 냉간 압연된 상기 티타늄강을 진공소둔방식으로 소둔열처리하는 단계를 단계를 포함한다.

상기 티타늄강을 냉간 압연하는 단계에서, 상기 티타늄강은 균일 연신율이 37% 이상이 되도록 냉간 압연될 수 있다.

냉간 압연된 상기 티타늄강을 소둔열처리하는 단계는, 재결정 온도 이상 660℃ 이하의 온도범위에서 실시될 수 있다.

상기 티타늄강은 에릭센 값이 12.0mm 이상이 되도록 제어될 수 있다.

상기 티타늄강의 제조방법에서, 중량%로, 산소(O) 및 철(Fe)의 함량의 합이 0 초과 0.085 미만의 범위로 제어될 수 있다.

상기 티타늄강의 제조방법에서, 중량%로, 산소(O), 철(Fe), 질소(N), 탄소(C) 및 수소(H)의 함량의 합이 0 초과 0.12 미만의 범위로 제어될 수 있다.

본 발명에 따르면, 티타늄강의 화학성분을 제어하고 제조공정에서의 공정변수를 최적화함으로써 판형 열교환기용으로 사용할 수 있는 가공성이 우수한 티타늄강을 제조할 수 있다.

또한, 가공성이 우수한 티타늄강을 제조하여 향후 해수를 이용한 선박용 엔진 냉각설비 및 원자력 발전설비의 냉각을 위한 열교환 설비에 적용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 비교예 1에 따른 티타늄강의 SEM 사진.
도 2는 본 발명의 비교예 3에 따른 티타늄강의 SEM 사진.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 티타늄강의 SEM 사진.

이하에서는 본 발명의 발명예를 도시한 도면들을 참조하여 더욱 상세히 설명한다. 여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

판형 열교환기의 사용 환경은 열교환 기능을 주 목적으로 하므로 스팀이 고온이거나 고압인 조건에서 사용하게 된다. 또한, 열교환 능력을 향상시키기 위하여 표면적을 증가시키고 냉매와의 접촉을 향상시키기 위하여 표면에 다양한 요철을 형성하는 복잡한 가공조건을 부여하게 된다. 통상, 소재의 가공성이 충분하지 않은 경우 프레스 성형 중에 파단이 발생하거나 미세한 크랙이 발생하며, 비록 미세한 파단이 발생한 경우라 할지라도 열교환 조건이 고압, 고온 조건이므로 사용 중 누수의 문제 뿐만 아니라 열교환 능력을 상실하게 되고 이를 수리하기 위한 경비 발생 등의 문제가 된다. 티타늄 판재가 프레스 가공성이 충분하지 않은 경우, 소재의 가공성을 증가시키기 위하여 소재의 표면에 윤활기능을 가지는 필름을 도포하여 소재의 유입량 제어에 의해 원하는 형태로 가공하기도 하지만, 이는 필름 자체의 비용 문제와 성형 전에 부착하고 성형 후에는 제거해야 하므로 이를 위한 설비 및 인건비 등 추가 비용이 발생한다. 이와 같이, 판형 열교환기용 티타늄 판재는 그 가공성이 매우 중요하므로 생산 공정에서의 치밀한 제어 및 기술이 필요하다.

판형 열교환기에 적용되는 티타늄 판재는 상기한 바와 같이 원통형의 튜브로 가공되거나 패널 형태의 판형으로 가공하여 사용된다. 먼저, 튜브형태로 가공하는 경우는 롤 사이에 판재를 장입하고 소재와 판재와의 마찰에 의해 원통형태로 성형되는 롤 포밍(roll forming) 방식을 사용한다. 따라서, 소재가 받은 연신은 비교적 낮으며 드로우잉(drawing)과 같은 단축의 인장에 의해 성형되는 변형모드를 따르게 된다. 이러한 경우, 소재의 특성은 항복강도, 인장강도 등의 영향을 크게 받게 되고 이들 지수에 대한 측정과 평가는 인장시험에 의해 가능하다. 그러나, 판형으로 가공되는 경우는 대형의 프레스에 장착된 상하부 금형 사이에 판재를 놓고 이미 요철이 가공된 금형에 의해 판형으로 가공한다. 판재의 유입을 조절하기 위하여 블랭크 홀더(blank holder)를 작동하게 되며, 이로 인해 성형 중에 부위별 유입량을 제어하여 목표로 하는 형태로 가공한다. 이때, 티타늄 소재는 두 방향 이상으로 인장을 가하는 형태로 변형을 받게 되며, 이는 단축으로 변형을 받게 되는 롤 성형과는 차이가 있다.

이와 같이, 소재가 가공 중 변형되는 형태가 다르므로 소재의 특성을 평가하는 지수가 다르게 되며 판형 열교환기용 판재의 경우는 스트레칭(stretching) 변형을 나타내는 에릭센 값(Erichsen value)을 측정하고 평가하는 것이 바람직하다. 또한, 소재는 가공 중에 파단을 일으키기 전까지 변형을 지속하다가 국부적인 두께 감소 즉, 넥킹(necking) 현상이 나타나는 지점에서 파단이 시작되므로 균일 연신율을 평가하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명에서는 판형 열교환기에 사용되는 소재의 프레스 가공성 특성을 평가하는 지수로서 균일 연신율과 에릭센값을 평가하였다. 소재의 균일 연신율은 소재가 변형을 시작하여 국부 넥킹이 발생하기까지의 연신율을 나타내므로, 균일 연신율이 증가할수록 가공성이 우수하다고 볼 수 있다. 에릭센 값은 소재를 구속한 상태에서 둥근 형상의 펀치를 이동하여 소재를 가공하는 방법으로, 에릭센 값이 증가할수록 판형 열교환기의 성형과 같은 스트레칭성이 증가한다고 볼 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 소재의 가공성 평가를 위하여 인장시험에 의한 균일 연신율과 에릭센 값을 측정하였다. 통상 판형 열교환기로 사용되는 균일 연신율의 값은 높을수록 바람직하며 열교환기의 형태 및 가공방법에 따라 요구하는 수준이 약간 다르나 파단과 국부 넥킹의 발생 없이 판형을 성형하기 위해서는 균일 연신율은 37% 이상이 바람직하다. 또한 에릭센 값은 티타늄 판재 중에서 비교적 낮은 가공성이 요구되는 용도인 경우는 10mm정도이지만 최근 판형 형태가 표면적 증가를 위해 복잡형태로 발전하고 있으며 표면의 굴곡 깊이도 증가하는 추세에 따라 판형 열교환기와 같은 고가공용인 경우는 에릭센 값을 최소한 12mm 이상을 적용하는 것이 바람직하다.

본 발명은 판형 열교환기용 티타늄 판재의 가공성을 향상하기 위한 기술적 특징을 가지고 있으며 이를 달성하기 위하여 소재의 화학성분을 제어하고 제조공정에서의 공정변수를 최적화하여 가공성이 우수한 티타늄 판재를 제조하고자 하였다.

티타늄 판재의 가공성은 화학성분 및 제조방법에 따라 그 가공특성이 다르다고 할 수 있다. 종래의 경우 프레스 성형성이 양호한 고가공성의 티타늄을 제조하기 위하여 냉간압연 후 최종 재질을 얻는 소둔공정에서 온도를 높게 하여 결정립을 조대하게 하는 방법으로 연신율 증가에 의한 가공성을 확보하였다. 그러나, 이와 같이 결정립 크기 제어기술은 소둔온도를 높게 하여 소둔 중 결정립의 성장에 의해 조대화는 용이하지만 조대한 결정립과 미세한 결정립이 혼재함에 따른 불균일 변형을 초래할 수 있다. 또한, 이러한 판재를 프레스 성형하는 경우에는 오렌지 표면과 같이 표면에 요철이 형성되어 거칠어지는 오렌지필(orange peel)이라는 결함을 가져오는 문제가 있다. 결정립이 과다하게 성장한 경우에는 넥킹 발생이 용이하므로 국부적인 파단이 발생하기도 한다. 또한, 소둔온도가 높기 때문에 산소와의 반응이 용이한 티타늄의 경우에는 표면 산화층에 형성되는 위험에 노출되기 쉽다. 이와 같이, 프레스 성형에서 판재의 표면이 거칠어지는 현상은 특히 판재성형과 같은 스트레칭변형 조건에서는 성형 중에 조대한 결정립 간의 변형거동에 차이가 있어 상호 뷸균일한 변형에 의해 거칠어지는 현상으로 해석할 수 있다. 따라서, 보다 고가공용의 소재를 제조하기 위해서는 결정립의 크기 뿐만 아니라 소재의 기본 특성의 변경이 필요하다.

본 발명은 판형 열교환기용 티타늄 판재의 가공성을 향상하기 위한 기술적 특징을 가지고 있으며 이를 달성하기 위하여 소재의 화학성분을 제어하고, 제조공정에서의 공정변수를 최적화하여 가공성이 우수한 티타늄 판재를 제조하고자 하였다. 일반적으로 판재의 재질은 화학성분의 영향을 받게 되며, 티타늄강의 경우에는 고내식성의 특성이 있으므로 고순도일 것이 요구된다. 통상 고내식성으로 사용되는 티타늄강의 화학성분은 기타 특수원소를 첨가하지 않은 경우 순도가 99% 이상을 차지하게 되며, 포함하는 원소로는 산소와 철을 기본으로 하여 질소, 탄소, 수소로 구성되어 있고 일부 크롬, 니켈 등의 원소를 포함하고 있다.

티타늄 판재에 포함되는 모든 원소는 티타늄의 재질에 크게 영향을 미치게 되며 비교적 함량의 범위가 높은 산소와 철에 의해 많은 영향을 받게 되고, 제조공정에서 불가피하게 함유하는 미량원소인 질소, 탄소, 수소 등의 영향 또한 받게 된다. 티타늄 판재에 포함되는 산소는 티타늄의 기본특성인 산소와의 강한 친화성에 기인하는데, 티타늄은 진공 중에서 제조되지만 산소를 불가피하게 함유하게 된다. 산소는 티타늄과 반응을 하면 표면 산화층을 형성하여 표면특성에 영향을 주지만, 내부의 산소는 고용되어 고용강화의 효과를 나타내게 된다. 즉, 산소의 함량 증가에 따라 강도는 증가하게 되고 연신율과 가공성은 감소하게 되므로, 본 발명과 같이 고가공용 티타늄 판재를 제조하는 경우에는 그 함유량을 적절한 범위로 제어할 필요가 있다. 티타늄 중의 철은 산소와 마찬가지로 불순물로 존재하게 되는데, 티타늄과의 친화력은 상대적으로 낮아 산화물을 형성하기 보다는 과다한 경우 중간 화합물 또는 금속간 화합물을 형성하므로 그 함량을 최소화하는 것이 바람직하다. 통상, 고내식성이 요구되는 용도로서의 티타늄 판재는 고순도이므로 철의 함량은 0.40% 이하로 함유하여 철을 티타늄 내부에 고용되는 상태로 존재하게 한다. 이에 따라서, 철은 티타늄 판재를 강화하는 작용을 하여, 철의 함량이 증가할수록 강도는 증가하고 가공성은 저하된다. 판형 열교환기용 티타늄 판재의 성분은 다른 용도의 티타늄에 비하여 비교적 불순물의 함량이 적은 판재이므로 판재에 포함된 산소와 철의 재질에 미치는 영향은 상대적으로 크게 되며, 판재의 재질에 미치는 철의 함량은 동일 함량인 경우 산소의 함량에 비하여 영향도가 큰 것으로 알려져 있다. 이와 같이, 산소와 철의 함량은 티타늄의 재질을 결정하는 중요한 원소이며 가공성이 요구되는 용도에서는 특히 정밀하게 제어할 필요가 있다.

본 발명은 중량%로, 산소(O): 0 초과 0.05 이하, 철(Fe): 0 초과 0.40 이하, 탄소(C): 0 초과 0.10 이하, 질소(N): 0 초과 0.10 이하 및 수소(H): 0 초과 0.005 이하, 나머지 티타늄(Ti) 및 불순물을 포함하는 티타늄강에 적용될 수 있다. 본 발명에서는 고가공성의 판재를 얻기 위해서 제한하는 산소와 철의 함량은 이들 원소의 합이 중량%로 0 초과 0.085% 미만이다. 한편, 산소와 철 이외에도 질소, 탄소, 수소와 같은 미량의 불순물 원소도 포함되어 있는데, 이들은 고용원소로 작용하여 티타늄 판재의 재질에 영향을 주게 된다. 주로 고용강화에 기여하게 되고 결정립 성장 억제 효과가 있으므로 높은 균일 연신율과 고가공성의 판재를 제조하기 위해서는 이들 원소의 함량을 최소 조건으로 한정할 필요가 있다. 본 발명에서는 이들 불순물의 전체의 합이 중량%로 0 초과 0.12% 미만으로 한정하여 높은 균일 연신율과 고가공성의 티타늄 판재를 제조할 수 있다.

상기 설명한 바와 같이, 티타늄강의 재질은 함유하는 원소 및 그 함량의 범위에 따라 크게 영향을 받게 되며, 특히 고가공성이 요구되는 판형 열교환기로 적용하는 판재의 경우는 더욱 원소의 영향이 크게 작용한다. 본 발명에서는 이들 원소의 함량을 제어하여 고가공용으로 적용되는 티타늄 판재를 제조함에 있어서, 티타늄 판재내의 원소 중 산소(O)와 철(Fe)의 함량의 합을 중량%로 0.085% 미만으로 제어하고, 티타늄을 제외한 전체 원소의 성분의 합을 중량%로 0.12% 미만으로 제어하며, 압연 및 진공소둔을 실시한 티타늄강은 균일 연신율이 37% 이상이고 에릭센 값이 12.0mm 이상인 고가공용으로 적용 가능하다. 이를 통하여 제조한 티타늄 판재는 프레스 성형공정에서 가공성 향상을 위한 필름의 도포 없이도 목적으로 하는 판형 열교환기를 성형하는 데 충분한 가공특성을 가진다.

이하에서는 본 발명에 따른 판형 열교환기용 티타늄 판재의 화학성분에 대한 한정 사유를 설명한다. 상기 설명한 바와 같이, 산소와 철은 대부분 고용상태로 존재하게 되며 고용강화 효과에 의해 판재의 재질, 특히 가공성에 크게 영향을 미치게 된다. 이들 고용원소의 증가에 따라 경화 효과는 증가하게 되며 상대적으로 가공성은 열화된다. 본 발명에서 소재에 포함되는 산소와 철에 대한 함량의 합이 중량%로 0.085%미만으로 한정한 것은 소재의 불순물 함량이 낮을수록 가공성을 얻기에는 유리하지만, 산업적으로 제조하기에 용이하지 않기 때문에 공업적으로 이용이 가능한 범위로 0.085% 미만으로 상한을 한정하였다. 산소와 철의 함량의 합이 중량%로 0.085% 이상인 경우 재질에서 열화현상이 뚜렷하였으며 균일 연신율이 현저하게 저하하는 경향을 보였다. 아울러, 가공성평가 지수인 에릭센 값이 낮아 충분한 가공성을 얻기 어려웠다. 즉, 판형 열교환기와 같은 복잡한 형태를 프레스로 가공하기 위해서는 소재의 가공성이 우수해야 하기 때문에 소재에 함유하는 산소와 철의 함량을 제어하는 것이 필수적일 것이다.

또한 티타늄에는 산소와 철 이외에도 침입형 원소로 쉽게 소재에 고용상태로 존재하는 원소가 대표적으로 질소, 탄소, 수소이다. 이들은 티타늄 제조공정에서 불가피하게 혼입되는 원소이지만 함유량이 증가하게 되면 고용강화 효과에 의해 강도가 증가하고 가공성에 유리하게 작용하는 집합조직의 형성에 지장을 주므로 가능한 낮은 수준으로 함유되는 것이 바람직하며, 본 발명과 같이 고가공성을 목표로 하는 경우는 이들 원소에 대한 한정이 필요하다. 본 발명에서는 이들 질소, 탄소, 수소, 산소 및 철의 함량의 합이 중량%로 0.12% 미만으로 한정하였다. 이들 원소의 함량이 0.12% 이상인 경우 각 원소는 소재 내에서 고용원소로 작용하기 때문에 결정립이 미세화되고 강도가 증가하는 문제로 말미암아 충분한 가공성을 얻을 수 없었다. 이는 소재의 화학성분 제어에 있어 주원소인 산소와 철의 함량 뿐만 아니라 강화효과에 작용하는 질소, 탄소, 수소의 함량도 미세하게 제어되어야 함을 의미한다.

상술한 범위의 화학성분을 가지는 티타늄 판재를 통상의 조건으로 열간압연하고 표면을 세정한 다음 냉간 압연하여 목표하는 최종 두께의 판재를 얻은 이후 진공소둔에 의한 재결정 열처리공정을 거쳐 재질을 평가하였다. 열간압연은 판재를 슬라브로부터 냉간압연을 위한 중간 두께의 판재를 제조하는 공정으로 재가열하고 조압연과 마무리압연을 실시하고 권취공정을 거치게 되며 각 단계에서는 연속압연이 가능하도록 충분한 온도를 확보하는 것이 중요하다. 본 발명에서는 통상의 공업용 순 티타늄의 열간압연에 따른 조건을 반영하여 제조할 수 있었다. 이후, 표면의 산화층을 제거하고 냉간압연을 실시하면 최종 두께는 일반적으로 0.4~0.7mm가 된다. 본 발명에서는 0.5mm두께로 압연하였다. 다음, 목표로 하는 재질을 얻기 위하여 소둔열처리를 실시하게 되며, 이 공정에서는 압연에 의해 변형된 조직을 재결정 소둔에 의해 제거하여 최종 목표로 하는 재질을 얻게 된다. 통상 티타늄 판재를 소둔하는 방법은 진공소둔과 연속소둔으로 나눌수 있으며 본 발명에서는 진공소둔 공정을 적용하였다. 진공소둔은 열처리 분위기가 진공 또는 아르곤 등의 불활성 가스 분위기 조건이므로 연속소둔과는 소둔후 표면의 산화층의 제거하는 공정을 생략할 수 있는 장점이 있다. 이때, 진공소둔에서의 온도는 재결정이 완료되며 목표하는 재질을 얻을 수 있도록 설계되어야 한다. 본 발명의 원소의 함량조건과 균일 연신율 및 에릭센 값을 고려하면 재결정이상의 온도로부터 660℃의 범위가 바람직하였다. 재결정 온도 이하에서는 압연에 의해 변형된 조직이 남아 있게 되므로 재질 확보가 어려웠으며 660℃를 초과하는 조건에서 소둔하는 경우에 재질을 만족할 수 있었으나 가공 후 결정립이 조대하여 표면에 거칠음이 발생하는 문제가 있었다. 따라서, 우수한 프레스 성형성을 가지는 판형 열교환기용 티타늄 판재의 제조에 있어서는 진공소둔의 온도를 최고 660℃로 한정하여 적용하는 것이 바람직하다.

이를 통하여 얻어진 티타늄 판재의 재질 수준은 균일 연신율이 37% 이상인 수준이고, 프레스 가공성 평가지수인 에릭센 값이 12mm 이상을 나타내었다. 이러한 본 발명에 따른 균일 연신율 및 에릭센 값은 종래 판형용 티타늄 판재에 요구하는 균일 연신율과 에릭센 값 보다 우수한 특성을 가지며, 프레스 가공성이 우수한 티타늄 판재의 제조가 가능하였다.

비교예 및 실시예

다음은 비교예 및 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

표 1에서는 비교예 1-6 및 실시예 1-2의 티타늄 판재의 화학성분의 범위와 기타 제조공정 조건에 따른 특징을 표시하였다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서의 화학성분의 범위는 산소와 철의 함량을 포함하여 미량원소인 질소, 탄소, 수소의 함량을 제어하는 특징이 있으며, 이들 모두는 고용원소로서 함유량이 증가하게 되면 재질은 경화하게 되므로 가공성을 열화하는 특징이 있으므로 가능한 함유량을 낮게 제어하는 것이 바람직하다. 특히, 산소와 철의 함량은 재질에 크게 영향을 미치므로 낮게 제어하되 기타 원소의 함유량도 낮게 제어하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 이들 원소의 함량을 제어하여 고가공용으로 적용되는 티타늄 판재를 제조함에 있어 티타늄 판재내의 원소중 산소(O)와 철(Fe)의 함량의 합을 중량%로 0.085% 미만으로, 티타늄을 제외한 전체 원소의 성분의 합을 중량%로 0.12% 미만으로 제어하는 것을 특징으로 하며 열간압연 및 냉간압연 및 진공소둔을 실시하고 그 재질은 균일 연신율이 37% 이상이고 에릭센 값이 12.0mm 이상인 특성을 보였다.

표 2는 비교예및 실시예를 통하여 얻은 인장특성과 가공성을 나타낸 것으로, 표 1의 화학성분 및 제조공정 조건에 따라 열간압연 및 냉간압연하여 두께 0.5mm의 판재로 제조한 후, 진공소둔에 의해 최종 열처리하여 제조한 판재의 특성을 기재하였다. 가공성은 판형 열교환기의 가공방법과 유사한 변형방법인 스트레칭 변형조건에서 평가하고자 하였으며 대표적으로 에릭센 값을 측정하여 비교하였다. 아울러, 동일한 금형으로 가공 후 표면을 관찰하여 파단이나 국부 넥킹의 발생여부를 확인하였으며, 표면에 거칠음이 발생하였는지 여부를 육안 관찰하였다.

참고로, 에릭센 값을 측정하는 에릭센 시험(Erichsen test)은 두께 0.1~2㎜의 얇은 금속판의 변형능(變形能)을 조사하는 시험이다. 시험 방법은 금속판 시료에 직경 20㎜의 공형태의 펀치를 삽입시켜 시료에 금이 갈 때까지의 압출 치수를 산출하여 에릭센 값으로 하며, 이 수치가 클수록 시료의 변형능은 커지는 것을 의미한다. 금속판에서는 프레스 성형성, 도장막이나 아연도금의 크로메이트 피막에서는 부착성을 평가할 수 있다.

비교예 1은 통상 튜브 가공용으로 사용되는 비교적 경질재 티타늄 소재의 성분을 나타낸 것으로 본 발명의 산소와 철의 함량을 벗어난 범위로서 인장시험결과 강도가 높고 균일 연신율이 낮았다. 도 1을 참조하면, 소둔열처리 후의 결정립의 크기가 약 10㎛ 수준으로 충분한 가공성을 나타내지 못하고 가공 중 파단이 발생하였다. 이러한 재질 수준은 통상 판형용 소재에 요구하는 균일 연신율 30% 이상과 에릭센 값 11mm 보다 훨씬 낮은 수준을 보이는 점으로 보아 튜브용과 판형용 티타늄 판재의 특성은 차별화가 필요함을 시사하고 있다.

비교예 2는 산소와 철의 함량의 합이 0.105%로 비교적 고용원소의 양이 많은 경우이다. 기타 비교예 와 동일한 압연 및 소둔 조건으로 제조하였음에도 불구하고 비교예 2의 균일 연신율과 에릭센 값은 낮은 특성으로 보였으며 가공 중 파단이 관찰되었다.

비교예 2와 유사한 화학성분을 가지는 비교예 3은 680℃ 이상으로 소둔열처리 온도를 상향한 것으로, 결정립의 크기가 증가한 경우이다. 도 2를 참조하면, 결정립의 크기가 약 90㎛ 수준으로 조대하게 성장하여 비교적 연질의 재질을 얻을 수 있지만, 뷸균일한 결정립의 형성으로 인하여 가공 중에 조대한 결정립에 의해 표면 거칠음이 관찰되었고 가공 후에는 국부 넥킹이 발생하였다. 이는 고온 소둔조건에 의해 결정립을 증가시켜 재질의 연화 효과에 의해 가공은 가능하지만 결정립의 불균일 변형에 의한 거칠음이 발생하므로 판형용 판재로서 사용이 곤란함을 의미한다.

비교예 4는 산소와 철 함량의 합이 0.083%로 본 발명의 실시예 의 범위인 0.085%를 만족하지만 기타 원소의 함량은 0.123%로서 본 발명의 요구수준을 벗어난 경우이다. 기타의 비교예 와 동일한 조건으로 소둔한 재질은 비교적 연질이 얻어졌으나 균일 연신율이 31% 수준으로 본 발명의 실시예 인 37% 보다 훨씬 낮은 수준이며 에릭센 값도 11.6mm로 본 발명의 실시예 인 12mm보다 낮은 수준을 보였다. 한편, 프레스 가공에서는 국부 넥킹이 발생되어 가공성이 우수하지 못함을 보였다.

이에 비하여, 실시예 1은 산소와 철 함량의 합이 0.079%이고 기타 원소와 산소와 철 함량의 합이 0.104%로 본 발명의 실시예를 만족하는 범위이다. 통상의 조건으로 열간압연 및 냉간압연을 실시하고 소둔온도를 658℃로 열처리를 실시한 경우로, 항복강도와 인장강도가 비교적 낮으며 특히 균일 연신율은 38% 이상을 나타내었다. 도 3을 참조하면, 결정립의 크기가 약 40㎛ 수준으로 가공 중에 파단이나 표면 거칠음이 발생하지 않은 양호한 특성을 나타내었다. 또한, 가공성 지수인 에릭센 값도 12.7mm 보여 매우 우수한 재질특성으로 나타내었다.

비교예 5는 실시예 1과 화학성분은 유사하여 본 발명의 범위를 만족하지만 소둔열처리 온도를 상향하여 연질의 재질을 얻을 수 있는지 프레스 가공성을 확인하였다. 그 결과, 비교예 5의 재질 수준은 실시예 1과 거의 유사하며 균일 연신율이 35.3%이고 에릭센 값이 12.3mm로서 본 발명에 근접하였다. 그러나, 프레스 성형에서는 표면에 거칠음이 발생하는 문제가 있었다. 이는 소둔열처리 온도의 상향에 의해 결정립이 과다하게 조대 형성되었기 때문인 것으로 판단된다. 즉, 소둔열처리 온도의 상향에 의해 재질의 연질화 효과는 기대할 수 있었으나 가공성을 만족하는 데는 한계가 있었고, 또한 최적의 소둔열처리 온도의 범위가 재결정 온도 이상 660℃ 이하임을 시사하고 있다.

실시예 2는 산소와 철 함량의 합이 0.075%이고 기타원소를 포함한 산소와 철 함량의 합이 0.081%이다. 이는 통상의 티타늄과 비교하여도 고순도 판재로 판단된다. 실시예 1과 동일한 제조조건을 거쳐 제조한 판재의 재질은 균일 연신율이 37.6%, 가공성 지수인 에릭센 값이 13.2mm로서 연질의 우수한 특성을 나타내고 있다. 이는 불순물로서 존재하는 원소들이 특히 고용원소들의 함량이 낮을수록 우수한 재질과 가공성을 나타낼 것으로 예측할 수 있으며, 이러한 고순도의 티타늄 제조를 위한 제조비용을 극복하면 활용도가 높을 가능성을 암시하고 있다.

마지막으로, 비교예 6는 실시예 1과 화학성분이 유사하여 본 발명의 범위를 만족하지만 소둔열처리 온도를 하향하여 연질의 재질을 얻을 수 있는지 프레스 가공성을 확인하였다. 표 2의 인장특성에 나타낸 바와 같이 경질의 특성을 보이고 있으며 균일 연신율이 낮고 에릭센 값도 낮은 특성을 보였다. 또한, 프레스 가공 중 파단이 발생하였다. 이는 소둔열처리 온도의 중요성을 암시하고 있으며 연질의 재질과 가공성을 만족하기 위해서는 화학성분 뿐만 아니라 적절한 범위로 소둔열처리 온도가 조절되어야 함을 의미한다. 진공에서 소둔열처리한 본 발명의 실시예를 통하여 얻어진 적절한 소둔온도는 재결정 온도 이상 660℃ 이하의 온도가 적절하였다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예 에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예 는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 변형예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (11)

1. 중량%로, 산소(O): 0 초과 0.05 이하, 철(Fe): 0 초과 0.40 이하, 탄소(C): 0 초과 0.10 이하, 질소(N): 0 초과 0.10 이하 및 수소(H): 0 초과 0.005 이하, 나머지 티타늄(Ti) 및 불순물을 포함하고,
   중량%로, 산소(O) 및 철(Fe)의 함량의 합이 0 초과 0.085 미만이며,
   중량%로, 산소(O), 철(Fe), 질소(N), 탄소(C) 및 수소(H)의 함량의 합이 0 초과 0.12 미만인 티타늄강.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 티타늄강은 균일 연신율이 37% 이상인 티타늄강.
5. 제1항에 있어서,
   상기 티타늄강은 에릭센 값이 12.0mm 이상인 티타늄강.
6. 중량%로, 산소(O): 0 초과 0.05 이하, 철(Fe): 0 초과 0.40 이하, 탄소(C): 0 초과 0.10 이하, 질소(N): 0 초과 0.10 이하 및 수소(H): 0 초과 0.005 이하, 나머지 티타늄(Ti) 및 불순물을 포함하는 티타늄강을 냉간 압연하는 단계; 및
   냉간 압연된 상기 티타늄강을 진공소둔방식으로 소둔열처리하는 단계를 포함하고,
   냉간 압연된 상기 티타늄강을 소둔열처리하는 단계는, 재결정 온도 이상 660℃ 이하의 온도범위에서 실시되며,
   중량%로, 산소(O) 및 철(Fe)의 함량의 합이 0 초과 0.085 미만의 범위로 제어되고,
   중량%로, 산소(O), 철(Fe), 질소(N), 탄소(C) 및 수소(H)의 함량의 합이 0 초과 0.12 미만의 범위로 제어되는 티타늄강의 제조방법.
7. 제6항에 있어서,
   상기 티타늄강을 냉간 압연하는 단계에서,
   상기 티타늄강은 균일 연신율이 37% 이상이 되도록 냉간 압연되는 티타늄강의 제조방법.
8. 삭제
9. 제6항에 있어서,
   상기 티타늄강은 에릭센 값이 12.0mm 이상이 되도록 제어되는 티타늄강의 제조방법.
10. 삭제
11. 삭제

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